EtherCAT是如何站稳运控通讯协议的C位?

MIR睿工业

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· 9月13日

好的通讯协议玩的是生态。

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EtherCAT是如何站稳运控通讯协议的C位?

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图片来源@视觉中国

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文|MIR睿工业

在总线型替代的浪潮下,各大自动化厂商纷纷推出自己的总线型运控产品,而在种类繁多的总线型通讯中,EtherCAT表现得尤为亮眼。根据MIR 睿工业统计,截至2021年中国总线型运动控制器市场规模超过60亿,占总体运动控制器市场比例超过七成。其中,EtherCAT总线型运动控制器市场规模超过40亿,占总线型运动控制器市场的比例超过六成。可以说EtherCAT已经走向自动化通讯协议的C位了。

01 “匠心级“产品

2003年德国汉诺威工业博览会,一家以做运动控制器出名的企业展台前人头攒动,展出的产品是一种全新的工业通讯协议。

几乎整个从事自动化行业相关的参会者都访问过这家的展位并为此感到震惊,有人直接断言这是一种具有前瞻性的高端技术,是前沿控制理念的新生代产物。

这家公司就是德国倍福自动化有限公司(Beckhoff),而这个被誉为具有前瞻性的高端技术叫做EtherCAT(用于控制自动化技术的以太网)。

后来的故事一如第一次见到EtherCAT的人们预料的那样,这种可以称得上是“革命性”的工业通讯协议,凭借其应用的多样性,开放性、高效率,在包括包装机、全钢工厂、机器人、切割系统、风洞和风能系统等应用程序中得以广泛使用。

(图示:一些主流的工业通讯协议)

即便在其诞生的10年之后,EtherCAT 的通信速度仍比最快的 CPU的运行速度还快,并且2003 年使用 EtherCAT 的控制器到了 2013 年仍然可以在自动化设备上兼容使用– 从某种意义上讲,它已经打破摩尔定律 10 年有余(虽然应用的领域稍有差别)。这也就是说,单一版本的EtherCAT,即第一个版本的 EtherCAT 就已足够支撑现今大部分的工业场景,后来所有添加的东西都只是扩展,而非改型,真可谓叫“匠心级”产品,相比于今天某些企业吹的什么“现象级”产品,水平不知道高到哪里去了。

作为一种基于以太网为开发构架的实时工业现场总线通讯协议,EtherCAT简单来说就是在一个特定班级里,竖排坐的一队学生,老师把带着所有人名字的试卷(可以是不同的科目)交给第一位同学,然后从前往后传,第一个同学只拿自己名字的试卷,第二名同学也只拿自己的试卷,以此类推。并且老师还能在一定时间内去收回问卷并进行批改分析然后反馈给特定学生。发试卷的老师即为主站,同学就是从站,而试卷也就是主站传达的数据内容了。

(图示:传统工控体系结构与新工控体系结构区别)

得益于总线型对于脉冲型运控产品的替代大潮,EtherCAT从自动化市场崭露头角。从性能角度来讲,EtherCAT在众多总线型控制协议中脱颖而出,主要依靠以下三点:

1. EtherCAT 通信速度非常快。它利用双绞线或光缆在 100μs 内处理 30μs 或 100 个轴上的 1000 个分布式 I / O 信号,为实时性能设置了新的限制。这种高速度使得EtherCAT 非常适合自动化,工业物联网(IIoT)以及其他需要实时优化的应用。

2. 这是一个广泛采用的开放标准。越来越多的设备正在通过现场总线或无线连接。并且由于数据使用与以太网相同的格式,因此可以直接连接到以太网。不需要特定的路由器或交换机。这意味着用户可以通过效率更高的方式使用 EtherCAT-IP 在同一接口上进行多种产品的选择。

3.它自身构建的可持续性。使用成熟的以太网电缆,EtherCAT 通讯协议可以在较为极端的条件下进行持续作业,比如EtherCAT 端子可以在-25°C 至+ 60°C的温度范围内连续工作(Trinamic 的 EtherCAT 运动控制器甚至可以满足-40°C至 125°C 的汽车级温度规格)。

(图示:部分总线型通讯协议)

这也就不奇怪为什么在如今的自动化市场,搭载EtherCAT总线型通讯的运控产品能够在半导体、光伏、锂电等领域的设备上具有很广泛的应用。

根据MIR 睿工业统计,截至2021年中国总线型运动控制器市场规模超过60亿,占总体运动控制器市场比例超过七成。其中,EtherCAT总线型运动控制器市场规模超过40亿,占总线型运动控制器市场的比例超过六成。可以说EtherCAT已经走向运控通讯协议的C位了。

02 外资、内资眼里的“香饽饽”

在中国自动化市场中,尤其是在通用交流伺服产品线上,总线型通讯成为了显学。各个伺服厂家都各自推出自己专用的总线协议(安川电机 Mechatrolink、松下RTEX、三菱 CC-Link等等)。这股总线风潮由欧美厂商刮起,又由日系厂商发扬光大,并且在EtherCAT总线型通讯的应用上,外资、内资似乎历史性地达成了一种默契。

欧美系厂商以倍福为代表,其PC-based运动控制器产品在中国市场份额占比第一,相应的在通讯协议的选择上当然要以自家的EtherCAT为主,并且倍福在中国一直在搞EtherCAT通信协议的推广活动,在倍福的大力推广下,EtherCAT也被国内大多数PC-based运动控制器厂商所接受。

可能是对于同是德国的老乡倍福的一种竞争心态,电气巨头西门子自己也推出了一种基于工业以太网的现场总线系统叫做Profinet。Profinet与EtherCAT区别在于EtherCAT是倍福最开始研究的,然后整个欧洲用的这个技术成立了一个联合。把这个技术推出来以后,靠着这个底层的芯片和底层芯片的授权控制市场,然后把EtherCAT的生态做起来,因而整个EtherCAT系统更丰富。而Profinet是西门子自己建立的生态,尽管一直以来西门子也在竭尽所能地推自己的Profinet,想“出圈”,但目前两者之间的关系有点像智能手机行业中的安卓系统和苹果系统。

日系厂商欧姆龙2012 年开始推广 EtherCAT 总线伺服,主推在如锂电、包装这样的高端市场(传统的脉冲伺服针对高精度定位控制满足不了,低端市场也不需要像总线伺服那么高的性能)。尤其在锂电行业,欧姆龙的存在感特别强,2021年其PLC产品在锂电行业的份额遥遥领先。一般来说,在一条锂电产线上出于统一性和兼容性的角度考量,总线EtherCAT的协议会比较受到青睐。当下,国产伺服厂商的运动控制型PLC产品也大多选用EtherCAT作为其总线协议的主力选择。

未来,锂电设备将朝着多工艺一体机及多工位设备的方向发展,设备搭载伺服轴数也将会同步增多,总线型的伺服产品将是大势所趋,这进一步导致锂电池设备行业的总线型伺服市场份额将进一步扩大。同时,随着国产伺服的应用发展,EtherCAT协议伺服产品也将得到进一步发展。

日系的另一位玩家松下也认为总线通讯是伺服产品的发展趋势,市场占有率会越来越多。作为老牌大厂,松下也有自己专用的总线协议RTEX。

尽管自己的RTEX也很香,但 EtherCAT通讯速度快,配线方便,没有干扰等特点,会使设备的加工效率更快,也提高设备利润,所以客户接受度很高。一般都是客户自己要求EtherCAT 通讯方式的伺服,用倍福IPC+软PLC,或者欧姆龙的PLC来搭配使用。即便在2019年的时候松下EtherCAT 总线伺服价格会比传统伺服贵 8-10%,这一未来大方向也没有改变。

在过去的几年中,安川电机相对于其它日系厂商来说内心比较纠结,一方面认可总线通讯的发展,而且也在总线里主推Mechatrolink产品(MetroLink- III是Yaskawa与2007年开发的基于EtherCAT物理层的运动控制现场总线协议。目前已研发到MetroLink-4,未来将在Σ-10上应用);另一方面,因为在锂电、电子等行业很多上位控制使用的是EtherCAT协议,使得安川电机在这些领域里支持EtherCAT 总线的产品比较多,并且得益于锂电、电子等市场需求的提升,2021年安川电机EtherCAT 总线产品的销售额有些许上涨。

其实这种纠结的心态是受安川电机本身销售策略(推自家的总线协议)的影响,导致总体上来讲EtherCAT产品很少。像前些年,安川电机在中国区内主推M2和 M3 总线,没有应用 EtherCAT协议,而当时国内很多数控系统以及伺服电机厂家已经安装了安川电机 M2 和 M3总线产品。

国产厂商中汇川伺服产品应用EtherCAT也比较多,尤其锂电行业EtherCAT的应用比例占了绝对数额。这一点除了锂电行业本身将EtherCAT作为主流的通讯协议以外,也和汇川在锂电行业将欧姆龙作为主要的对标竞争友商有关。在业内,汇川伺服配套欧姆龙的PLC(欧姆龙的运动控制型PLC使用EtherCAT作为其通讯协议)方案,此方案被打造成行业典型标杆,这就直接决定了伺服的通讯协议选型。

另一家国产厂商禾川总线型通讯协议也以EtherCAT为主,在机器人行业也会使用到部分的CANopen总线协议,X6和Y7会涉及到西门子的Profinet或者安川电机的Mechatrolink通讯协议。

从伺服产品开发的角度看,禾川在X3E这一主要的伺服系列主要使用Ethercat作为其通讯协议。另外, 原本对于新近开发的X6与Y7这两款产品的通讯协议规划是X6主打EtherCAT支持Profinet高性能产品,Y7是主打EtherCAT支持Mechatrolink协议的产品。但因为X6受整个行业普遍缺芯影响,生产和供应都造成了一定的困难,因此禾川加紧了对Y7产品EtherCAT通讯模式的研发测试,并且于2022年4月开始批量销售。

未来随着EtherCAT总线适用性越来越广,EtherCAT总线型产品销售占比会逐渐提高,禾川也会加强对于EtherCAT总线型的推广。

*一些厂商如雷赛、广州数控、研华等厂商使用EtherCAT通讯协议的运动控制器产品也较多,像是雷赛、研华的PC-based产品,广州数控的专用控制器产品。由于篇幅有限本文将不再做详细论述。

03 EtherCAT如何站稳C位

当下的自动化市场,尤其是伺服产品线,总线型协议将逐步替代脉冲型协议。而在一些伺服下游应用行业中,兼顾“总线型”和“以太网”两大特色的EtherCAT协议正逐渐占据市场主流地位。

2021年,电子制造设备行业市场的总线型产品业绩占据过半的市场份额,其中总线型的伺服产品主要又以EtherCAT协议为主,像外资的松下和国产的汇川、禾川等厂商在电子制造设备行业中提供总线产品时更倾向于提供EtherCAT伺服产品,这主要是由于电子制造设备行业许多是需要基于客户需求再开发的非标定制产品,特别是在视觉相关,有较多选择PC-based作为其上位控制器,许多国产PC-based厂商如雷赛等,主推EtherCAT通讯的产品,因此EtherCAT的伺服与其更加适配。

近两年,新兴的光伏市场的总线型产品也占据了大部分的市场份额,其中总线型的伺服产品也主要以EtherCAT协议为主,像汇川、禾川等国产厂商在光伏行业中提供总线产品时更倾向于提供EtherCAT伺服产品,这主要原因在于光伏行业更多应用的是欧姆龙或倍福的PLC产品,因此应用EtherCAT的伺服与其更加适配。

2021年,锂电池制造设备市场的总线型产品几乎占据了该市场的全部份额,这一方面与锂电行业设备的特性和国产伺服产品的慢慢崛起有关,这两点我们在上文分析欧姆龙和汇川应用EtherCAT通讯协议的情况时已经说的较为详细,这里不再赘述。

2021年,半导体市场的总线型产品的市场份额占比过半,其中主要以EtherCAT协议为主。这种行业现状:

  • 一是与供应商的市场份额相关,2021年松下的伺服产品在半导体设备行业中占有相当大的份额,而松下的伺服产品主要支持EtherCAT通讯;

     

  • 二是因为作为被国际半导体产业协会SEMI所支持的EtherCAT通讯协议,能够拥有更好的开放性,有利于不同厂家设备进行配合通信;

     

  • 三是因为由于半导体行业对设备的控制精度要求很高,PC-based在半导体设备中的应用逐渐增多,并逐渐替代了一部分PLC应用,因此通讯协议上也偏向于更开放的EtherCAT协议。

04 EtherCAT—玩的是生态

总的来说,近几年来,EtherCAT在自动化行业逐渐站稳了通讯协议中的C位是大势所趋也是自身优越的性能所致。EtherCAT起源于传统工业强国的德国,靠着把整个欧洲联合起来培育成一个生态圈,逐渐在工业自动化领域站稳了脚跟。

无论是倍福的EtherCAT还是西门子推出的Profinet,其实它们在整个工业自动化市场能够获得如此广泛的应用其实有一个共同的逻辑:西门子是在中国PLC整体市场占住了头部位置,倍福在中国PC—based运动控制器市场也是处于第一位置。你在控制器方面是老大,就意味着你把握住了自动化产品线中的上位产品,基于此你在自动化领域往往就可以指定很多标准和规则,像西门子制定的现场总线PROFIBUS标准、MindSphere World全球用户组织等,前者助其建立“朋友圈”,后者营造了最优的生态圈。

所谓得标准者得天下,倍福、西门子等作为生态建立者站在“生态链”的最顶端,下游设备厂商产品用的生态十有八九都是他们的标准,比如倍福认可并使用EtherCAT,加上一波大力推广,那下游的一众厂商(尤其是选择使用PC-based运动控制器产品的厂商)就必须得使用EtherCAT,以达到适配。这样一来,搭载EtherCAT通讯协议的自动化产品就能很顺利地进入到供应链下游的广阔市场中。

同样,日系欧姆龙在锂电行业也是如此。在锂电行业欧姆龙的运动控制型PLC是当之无愧的王牌产品,各家厂商大多都用欧姆龙的PLC产品,而他的PLC产品又用的是EtherCAT的生态。因此就这样一环套一环地影响到了所有参与到锂电行业竞争的所有自动化厂商,这就是生态的力量,也是EtherCAT通讯协议能够经久不衰的最重要因素。

未来,在中国自动化市场,随着总线型伺服的不断发展,自动化下游各个行业中总线型伺服的市场份额将进一步扩大。并且,随着国产伺服在市场中的份额慢慢增加,在相当长一段时间内国产伺服的上位控制通讯协议还是会主要使用EtherCAT,因此EtherCAT协议伺服产品的市场份额也将得到进一步发展。

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